劉 明
(福建省廈門第六中學(xué),福建 廈門 361000)
《高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》對實驗探究部分的教學(xué)建議中指出:應(yīng)在實驗中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題能力;應(yīng)通過實驗提高學(xué)生制訂計劃的能力;要避免讓學(xué)生按給定步驟進(jìn)行符合預(yù)期的虛假“探究”;在收集實驗信息時,要尊重實驗事實,不應(yīng)只把注意力集中在與探究假設(shè)相符的物理事實上,還需要觀察和收集那些與預(yù)期結(jié)果相矛盾的信息;要從交流內(nèi)容的組織和陳述形式等方面提高學(xué)生交流和表達(dá)能力;應(yīng)在實驗中發(fā)展學(xué)生依據(jù)證據(jù)、運用邏輯和現(xiàn)有知識進(jìn)行科學(xué)論證和解釋的能力等.[1]
然而,現(xiàn)實中的實驗教學(xué)仍然存在較大的問題,講實驗、看實驗、練實驗的情況普遍存在,學(xué)生的實驗探究多數(shù)情況下停留在學(xué)生按部就班,根據(jù)教師和書本提供的實驗方案和步驟,匆匆完成實驗,得出實驗結(jié)論.在實驗過程中既沒有方案設(shè)計;沒有數(shù)據(jù)分析論證;甚至實驗中得出與期望的實驗事實不相符也完全不理會,更沒有深入的誤差分析及實驗改進(jìn)的探究.這樣的實驗探究過程,是名符其實的“虛假探究”,教師的教學(xué)停留在為學(xué)生完成實驗而做實驗,實驗的教育教學(xué)功能沒有得到充分發(fā)揮,與通過學(xué)科教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的宗旨背道而馳.[2]
深度學(xué)習(xí)是建構(gòu)知識意義的學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)者把新知識與已有的知識經(jīng)驗聯(lián)系起來,在已有知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識,豐富或重構(gòu)原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu).[3]
學(xué)生已有利用打點計時器和紙帶研究勻變速直線運動的經(jīng)驗,在此基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生將斜面上的小車下滑改為豎直方向的自由下落,同時從減小阻力的角度引導(dǎo)學(xué)生將小車換為體積小,密度大的重物(使下落重物的重力遠(yuǎn)大于阻力),構(gòu)建一個自由落體運動實物模型如圖1,合理設(shè)計出實驗裝置,在構(gòu)建過程中深化自由落體運動模型的理解和認(rèn)識.
圖1
紙帶上記錄了物體下落的時間和相應(yīng)的位移,引導(dǎo)學(xué)生回顧根據(jù)紙帶分析重物下落是否為勻變速直線運動的方法如下.
(2)逐差法:依據(jù)勻變速直線運動的推論相鄰相等時間位移差Δs=a T2=定值,判定該運動是否為勻變速直線運動并求出加速度a.
(3)v-t圖像法:若能根據(jù)紙帶求出紙帶上選取的各計數(shù)點的瞬時速度v,作出v-t關(guān)系圖像,若是直線則說明該運動是勻變速直線運動,并可以根據(jù)圖像的斜率k=a,求出加速度a.
由于紙帶記錄的是時間和距離,速度不是直接測量量,在判定紙帶的運動性質(zhì)之前不能直接求出紙帶上對應(yīng)計數(shù)點的瞬時速度,不選用v-t圖像法.
“提高物理教學(xué)水平,發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng),離不開信息技術(shù)與物理學(xué)習(xí)的融合”.[1]在實驗的數(shù)據(jù)分析處理中,把利用Excel軟件自動計算和繪制相關(guān)圖表的方法教給學(xué)生,簡化實驗過程中繁瑣的實驗數(shù)據(jù)計算和處理,將實驗重點放在實驗方案設(shè)計及實驗結(jié)果的評估上,不僅節(jié)約時間成本,也有利于學(xué)生通過圖表分析強化勻變速直線運動規(guī)律的深度理解.
選取一條實驗中點跡清晰的紙帶,以實驗中打點計時器打的第1個點為計時起點(計數(shù)點0),并取各計數(shù)點間的時間間隔T=0.04 s,如圖2為選取紙帶的前半部分.
圖2
(1)h-t2圖像法:將測量數(shù)據(jù)填入表1.
表1 探究自由落體運動數(shù)據(jù)記錄
利用Excel軟件作圖和圖像趨勢線方程作出h-t2關(guān)系圖像,如圖3.
圖3 h-t 2關(guān)系圖像
圖3中的h-t2關(guān)系圖像是直線可判定物體下落是勻變速直線運動,并根據(jù)圖像的趨勢線方程中的斜率,求出加速度a=8.72 m/s2.學(xué)生可發(fā)現(xiàn)該值與當(dāng)?shù)刂亓铀俣葘嶋H值相差甚遠(yuǎn).
同一條紙帶,兩種分析處理方法的結(jié)果相差如此大?這樣的實驗結(jié)果沖突,激發(fā)學(xué)生探究興趣,引發(fā)對實驗的進(jìn)一步分析思考.
表1的數(shù)據(jù)是選取其中一組學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)分析的結(jié)果.在操作正確的前提下,同一組數(shù)據(jù)兩種不同的處理方法得到的實驗結(jié)果相差較大.出現(xiàn)與預(yù)期不符的實驗結(jié)果,絕不能簡單以“實驗總是存在誤差”為由含糊帶過,要引導(dǎo)學(xué)生尊重客觀事實,深度追尋產(chǎn)生問題的原因,充分收集利用真實客觀的證據(jù),引發(fā)學(xué)生的深度思考.
2.3.1 對比紙帶發(fā)現(xiàn)問題
對比幾條不同組別學(xué)生打出的紙帶如圖4,引導(dǎo)學(xué)生觀察,各組選取的相同計數(shù)點的點位和點距并不相同且相差較大.
圖4
提出問題:
(1)是否是因為裝置不同引起的?
請學(xué)生利用同一裝置打出幾條紙帶,發(fā)現(xiàn)上述問題依然存在.
(2)紙帶釋放瞬間和打點計時器打0點的瞬間相同嗎?
引導(dǎo)學(xué)生討論交流分析總結(jié)出:在未釋放紙帶前紙帶靜止,打點針在紙帶上重復(fù)打點,在紙帶上留下一個黑而粗的計數(shù)點0點.若釋放紙帶瞬間打點計時器恰好打點,則選取的計數(shù)點1為紙帶釋放后打的第3個點,和計數(shù)點0的時間間隔T等于0.04 s;若紙帶釋放瞬間不是打點計時器打點瞬間,則選取的計數(shù)點1為釋放紙帶后打點計時器打的第2個點,因釋放紙帶后打的第1個點與計數(shù)點0的間隔要小于0.02 s,所以計數(shù)點1與計數(shù)點0間的時間間隔小于0.04 s,這取決于釋放紙帶瞬間與打點計時器打第1個點的時間間隔,若這個時間間隔為0.01 s,則計數(shù)點1與計數(shù)點0的時間間隔為0.03 s,小于選取的計算值0.04 s;若因為紙帶釋放瞬間與紙帶上打第1個點的時間間隔太小(如0.003 s),導(dǎo)致釋放紙帶后打的第一個點被計數(shù)點0覆蓋,則選取的計數(shù)點1為紙帶釋放后打的第3個點,則計數(shù)點1與計數(shù)點0的時間間隔為0.043 s,大于選取的計算值0.04 s.
2.3.2 根據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析誤差
(2)逐差法:在表1中計數(shù)點1與起始點0之間的位移差Δs=0.0123 m,明顯小于其它兩段相鄰相等時間T內(nèi)Δs的值,這也是因為時間間隔的小于0.04 s,也就是這個時間間隔和其它計數(shù)點間的時間間隔是不相等的,不符合“相鄰相等時間”的條件,因而存在誤差.
深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)中分析、綜合、創(chuàng)造等高階思維能力運用于學(xué)習(xí)過程,監(jiān)控和反思學(xué)習(xí)過程中實現(xiàn)思維進(jìn)階.
學(xué)生從證據(jù)分析中發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)較大的實驗誤差的主要原因是由于釋放瞬間并非計時器打點瞬間,計數(shù)點1與計數(shù)點0的時間間隔并不等于0.04 s,只要剔除這段數(shù)據(jù),并通過實驗數(shù)據(jù)處理方法的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化,即可減小誤差.
2.4.1 圖像法方案改進(jìn)
以原紙帶的計數(shù)點1作為計時起點0,記錄相關(guān)數(shù)據(jù),如表2.
表2 探究自由落體運動數(shù)據(jù)記錄
圖5 h/t-t關(guān)系圖像
根據(jù)圖像的斜率,求出加速度a=9.76 m/s2,對比圖3中h-t2關(guān)系圖像所求加速度值,誤差減小,與當(dāng)?shù)刂亓铀俣葘嶋H值接近.
2.4.2 逐差法計算結(jié)果
重物下落過程中存在空氣阻力和打點計時器對紙帶的阻力的作用,使實驗必然存在系統(tǒng)誤差;實驗中距離測量的偶然誤差對實驗的影響也不小;時間測量方面,打點計時器頻率不穩(wěn)定也會引入誤差.但利用圖像處理數(shù)據(jù),不僅更加簡潔直觀的反映了紙帶的運動情況,還可以剔除誤差較大的點,在計算加速度的時候綜合考慮每一個數(shù)據(jù),大大的減小了實驗誤差.
在探究自由落體運動中,通過有效融合信息技術(shù),簡化數(shù)據(jù)處理過程,把探究的重心放在實驗方案設(shè)計、證據(jù)收集與分析、科學(xué)論證與交流等方面,學(xué)生真實地經(jīng)歷這樣的探究過程,在深度體驗中發(fā)現(xiàn)問題、在深度分析中提出問題、在深度思維中解決問題,實現(xiàn)深度學(xué)習(xí),提升學(xué)生核心素養(yǎng).